TUGAS AKHIR
PENGUJIAN KEKUATAN ISOLASI PVF DAN THERMOPOX SEBAGAI BAHAN BAKU
TRANSFORMATOR
( APLIKASI PT. MORAWA ELEKTRIK TRANSBUANA )
Diajukan sebagai salah satu syarat memperoleh gelar sarjanaPada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Sumatera Utara
Oleh
HALFA RAMADHANA NPM : 0407220021
FAKULTAS TEKNIK
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SUMATERA UTARA
MEDAN
ABSTRAK
Persoalan ini adalah salah satu dari beberapa persoalan yang terpenting dalam Teknik Tenaga Listrik pada umumnya dan Teknik Tegangan Tinggi pada khususnya. Tingkat isolasi yang akan digunakan didasarkan atas tegangan dan standar yang digunakan.
Untuk hal tersebut maka bahan isolasi perlu dilakukan pengujian. Pengujian ini dilakukan berdasarkan ketentuan standar maupun katalog yang telah ditentukan. Pengujian bahan dilakukan pada saat masih merupakan bahan baku dan setelah menjadi benda. Dalam tulisan ini bahan baku yang akan diuji adalah isolasi kawat dan isolasi kertas. Hasil pengujian jika tidak memenuhi standar akan dikembalikan pada pemasok dan jika memenuhi standar dapat dipakai oleh pabrik pembuat.
KATA PENGANTAR
Bissmillahirahmannirahim Assalamualaikum Wr. Wb.
Dengan mengucapkan syukur Alhamdulillah atas rahmat Allah SWT yang telah memberikan hidayah, sehingga Tugas Akhir ini dapat selesai guna melengkapi tugas – tugas serta memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar sarjana pada Fakultas Teknik Universitas muhammadiyah Sumatera Utara.
Aplikasi dari penulisan tugas akhir ini adalah di PT. MORAWA ELEKTRIC TRANSBUANA dan dengan judul PENGUJIAN KEKUATAN ISOLASI PVF DAN THERMOPOX SEBAGAI BAHAN BAKU TRANSFORMATOR (APLIKASI PT. MORAWA ELEKTRIC TRANSBUANA).
Dalam menyelesaikan tugas akhir ini tentunya tidak terlepasdari segala hambatan dan rintangan, namun dengan adanya bantuan, bimbingan dari semua pihak, baik memberikan masukan-masukan, kritikan maupun dorongan semangat yang sangat membantu penulisan dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
Pada kesempatan ini saya menyampaikan rasa hormat dan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Ayahanda Muhammad Halilintar Arsyad dan Ibunda Fauziah Djalil yang telah memberi dorongan, baik moril maupun material, dan doa sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini.
3. Bapak Ir. Zul Arsil Siregar, selaku Dosen Pembimbing I dan Pimpinan Rutin Test PT Morawa Elektric Transbuana.
4. Ibu Noorly Evalina ST, selaku Penasehat Akademik dan Dosen Pembimbing II Jurusan Teknik Elektro Fakultas teknik Universitas Muhammadiyah Sumatera Utara yang banyak memberi bimbingan dan masukan untuk kami dalam penyusunan tugas akhr ini.
5. Ibu Rohana ST.MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Fakultas teknik Universitas Muhammadiyah Sumatera Utara.
6. Seluruh Staf Administrasi Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Sumatera Utara.
7. Para Staf dari PT. Morawa Elektric Transbuana, Yang telah banyak memberi bimbingan, pengarahan, serta saran-saran, sehingga kami dapat melaksanakan kerja ini dengan baik.
8. Untuk seeorang yang istimewa yang saya sayangi Sri Rezeki Rahma S yang selalu menemani dan memberi dukungan semangat serta doa pada saat penulisan tugas akhir ini.
9. Rekan-rekan Teknik Elektro Khususnya angkatan 2004 yang tidak dapat disebut namanya satu persatu.
Hanya doa yang dapat penulis panjatkan, kiranya Allah SWT memberikan balasan atas kebaikan dari semua pihak yang tersebut diatas. Penulis menyadari bahwa isi dari penulisan ini masih jauh dari sempurna, karena keterbatasan kemampuan dan pengetahuan. Karenanya, kritik dan saran penulis harapkan untuk kesempurnaan tulisan ini. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat bermanfaat bagi pembaca pada umumnya.
Medan,
November 2009 Penulis,
Halfa
Ramadhana
DAFTAR ISI ABSTRAK ... i KATA PENGANTAR ... ii DAFTAR ISI ... v DAFTAR TABEL ... ix DAFTAR GAMBAR ... x BAB I. PENDAHULUAN ... 1
I.1. Latar Belakang Masalah ... 1
I.2. Perumusan Masalah ... 2
I.3. Tujuan Masalah ... 2
I.4. Batasan Masalah ... 2
I.5. Metoda Penulisan ... 3
I.5.1. Metode Litaratur ... 3
I.5.2. Metode Riset ... 3
BAB II. TEORI DASAR ... 5
II.1. Umum ... 5
II.2. Arus Penguat ... 8
II.3. Prinsip Kerja Transformator ... 9
II.3.1. Inti Transformator ... 12
II.3.2. Rangkaian Ekivalen Transforator ... 15
II.3.3. Menentukan Parameter ... 18
II.3.4. Rugi – Rugi Transformator ... 24
II.4. Rugi – Rugi Tembaga ... 28
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN ... 27
III.1. Umum ... 27
III.2. Bahan Isolasi dan Fungsinya ... 28
III.2.1. Logam dan Alloy ... 28
III.2.2. Keramik dan Galas ... 29
III.2.3. Polymer Organik ... 30
III.3. Sifat Bahan Isolasi Berdasarkan Karakteristik ... 32
III.5. Faktor Yang Mempengaruhi Ketahanan Isolasi ... 35
III.5.1. Pengaruh Temperatur Terhadap Tahanan Jenis ... 37
III.5.2. Pengaruh Sifat Dielektrik dan Kekuatan Dielektrik ... 41
III.5.3. Pengaruh Potansial Gradien (Medan Listrik) ... 44
III.6. Isolasi Kawat PVF (Polyxinyl Formadehid) ... 47
III.7. Konduktor Tembaga ... 48
III.8. Tegangan Tembus (break Down Voltage) ... 49
III.9. Isolasi Kertas Merek Weidmann ... 49
III.10. Klasifikasi Bahan Isolasi Listrik ... 50
III.10.1. Bahan Isolasi Kelas Y ... 51
III.10.2. Bahan Isolasi Kelas A ... 51
III.10.3. Bahan Isolasi Kelas E ... 52
III.10.4. Bahan Isolasi Kelas B ... 52
III.10.5. Bahan Isolasi Kelas F ... 52
III.10.6. Bahan Isolasi Kelas H ... 52
III.10.7. Bahan Isolasi Kelas C ... 52
III.11. Metode Pengujian Bahan Baku ... 53
III.11.1.1. Jenis Bahan Uji ... 53
III.11.1.2. Alat Uji ... 54
III.11.1.3. Tahap Pelaksanaan Pengujian Pada Isolasi Kawat ... 54
III.11.1.4. Data Hasil Pengujian ... 58
III.11.2. Isolasi Kertas ... 58
III.11.2.1. Jenis Bahan Uji ... 59
III.11.2.2. Alat Uji ... 59
III.11.2.3. Tahap Pelaksananaan Pengujian Pada Isolasi Kertas ... 59
III.11.2.4. Data Hasil Pengujian Tegangan Tembus Isolasi Kertas ... 60
BAB IV. ANALISA HASIL PENGUJIAN ... 61
IV.1. Analisa Hasil Pengujian Isolasi Kawat ... 61
IV.1.1. Analisa Hasil Pengujian Tahanan Kawat ... 61
IV.1.2. Analisa Pengujian Konduktivitas ... 66
IV.1.3. Analisa Hasil Pengujian Break down ... 69
IV.2. Analisa Pengujian Isolasi Kertas ... 71
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 72
V.1. Kesimpulan ... 72 V.2. Saran ... 74
DAFTAR PUSTAKA
DAFTAR TABEL
TABEL KETERANGAN
Tabel 3.1. Harga – Harga Konstanta Dari Jenis Kawat Tembaga
Dan Aluminium ... 40
Tabel 3.2. Konstanta Dielektrik Serta Kekuatan Dielektrik Suatu Bahan Dielektri ... 44
Tabel 3.3. Sifat –Sifat Isolasi Jenis PVF ... 48
Tabel 3.4. Klasifikasi Bahan Isolasi Plastik ... 51
Tabel 3.5. Nilai – Nilai Konstanta Konduktor Jenis Tembaga Dan Aluminium ... 57
Tabel 3.6. Data Dimensi Konduktor ... 58
Tabel 3.7. Data Tahanan ... 58
Tabel 3.8. Data Hasil Pengujian Tegangan Tembus Isolasi Kertas ... 60
Tabel 4.1. Harga Koefisien Temperature Tahanan Kawat Tembaga ... 62
Tabel 4.3. Konduktivitas (%) ... 68
Tabel 4.4. Batas Minimum Tegangan Tembus Untuk Klass 0 ... 69
Tabel 4.5. Hasil Analisa Pengujian Isolasi Kawat ... 70
DAFTAR GAMBAR GAMBAR KETERANGAN Gambar II.1. Rangkaian Transformator ... 5
Gambar II.2. Rangkaian Arus Penguat Transformator ... 8
Gambar II.3. Hukum Kaidah Tangan Kanan ... 10
Gambar II.4. Belitan Cangkang ... 14
Gambar II.5. Belitan Inti ... 15
Gambar II.6. Rangkaian Ekivalen Transformator Beban Nol ... 15
Gambar II.7. Vektor Diagram Transformator Beban Nol ... 16
Gambar II.9. Rangkaian Pengukuran Beban Nol ... 18
Gambar II.10. Inti Transformator Yang Dilalui Fluksi Magnet ... 21
Gambar II.11. Rangkaian Pengukuran Hubung Singkat ... 23
Gambar II.12 Struktur Trafo ... 26
Gambar III.1. Medan Magnet Seragam ... 46
BAB I
PENDAHULUAN
I. I. Latar Belakang Masalah
Perkembangan industri di Indonesia mengalami kemunduran ditahun - tahun terakhir ini. Dikarenakan belum stabilnya perekonomian di Indonesia maka banyak pula masalah yang timbul sehingga banyak perusahaan yang ditutup. Untuk mengatasi masalah tersebut perlu diadakan perbaikan mutu terhadap suatu produk industri guna mengetahui sifat-sifat bahan yang produksi agar hasil suatu prouduk dapat digunakan sesuai daengan kualitas menurut standar nasional dan internasional.
Disamping hal tersebut hasil pengujian dan perbandingan kekuatan suatu bahan juga bermanfaat mencegah timbulnya bahaya terhadap diri manusia dan lingkungan sekitarnya, yang disebabkannya tembusnya (break down) isolasi konduktor (kawat) dan isolasi kertas pada transformator.
Untuk itu, sebaiknya setiap bahan-bahan hasil produk industri sebelum digunakan sebagai bagian dari peralatan misalnya untuk suatu kawat dan kertas pada transformator harus diuji dan dibandingkan kekuatannya berdasarkan standart-standart yang ditentukan. Hal ini bertujuan agar bahan-bahan tersebut dapat diketahui sifat-sifat dielektriknya dan dari hasil pengujian. Maka dapat diambil suatu keputusan apakah bahan itu dapat dipergunakan atau ditolak kembali ke pemasok.
I.2. Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang permasalah yang telah diuraikan diatas ternyata permasalahan yang akan dianalisa dapat dirumuskan sebagai berikut :
Bagaimana cara pengujian untuk mengetahui perbandingan kekuatan isolasi kawat dan isolasi kertas pada transformator di PT. MORAWA ELEKTRIC TRANSBUANA.
I.3. Tujuan Penulisan
Tujuan penulisan ini adalah untuk mengetahui seberapa besar kekuatan sifat dielektrik suatu bahan isolasi kawat dan isolasi kertas yang didasarkan dengan melakukan pengujian terhadap bahan tersebut.
I.4. Batasan Masalah
Megingat banyaknya masalah yang dijumpai pada perbandingan kekuatan isolasi kawat dan isolasi kertas pada transformator.
Dalam pengujian ini hanya membahas masalah isolasi PVF (Polivinil Formaldehid) dan isolasi kertas merak wedmann jenis thermopox pada transformator.
I.5. Metode Penulisan
I.5.1. Metode Literatur (perpustakaan)
Penulisan melakukan studi teoritis di perpustakaan untuk mendapatkan bahan - bahan teori yang dibutuhkan dalam menyusun Tugas Akhir ini.
I.5.2. Metode Riset
Penulisan melakukan riset di PT. MORAWA ELEKTRIC TRANSBUANA untuk mendapatkan bahan yang dibutuhkan dalam menyusun Tugas Akhir ini.
I.6. Sistematika Penulisan
Adapun sistematika penulisan yang akan dipakai agar mencerminkan isi dari Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini mencakup latar belakang masalah, perumusan masalah, batasan masalah, metoda penulisan, sistematika penulisan.
BAB II TEORI DASAR
Bab ini berisikan tentang teori - teori Transformator Distribusi. BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini berisikan tentang teori - teori osolasi, serta isolasi kawat dan kertas pada tranformator, dan metode pengujian dari pada isolasi PVF dan THERMOPOX.
BAB IV ANALISA HASIL PENGUJIAN
Bab ini berisikan tentang analisa pengujian perbandingan kekuatan isolasi PVF dan THERMOPOX dengan menggunakan pengujian Break Down pada transformator di PT. MORAWA ELECTRIC TRANSBUANA.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan hasil studi yang telah dilakukan maka dapat diambil kesimpulan yang bermanfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.
BAB II
TEORI DASAR
II.1. Umum
Transformator adalah suatu peralatan listrik statis yang berfungsi memindahkan dan mengubah tegangan listrik bolak-balik dari suatu rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain dengan frekuensi yang sama dan perbandingan transformasi tertentu melalui suatu rangkaian gandengan magnet untuk menaikkan atau menurunkan tegangan dan bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik.
Transformator bekerja dengan prinsip induksi elektromagnetik, yang berdasarkan prinsip hukum faraday, dan mengubah tegangan keluaran berdasarkan perbandingan belitan antara kumparan primer dan kumparan sekunder. Besar tegangan yang dibangkitkan berbanding lurus dengan banyaknya jumlah belitan pada sisi keluaran.
f f2’ V1 I1 N1 E 1 E2 N2 I2 V2 Z a b c d
Gambar II.1 Rangkaian Transformator
Diantara lempengan besi dipisahkan karena dengan isolasi sehingga lempeng besi yang satu dengan yang lainnya tidak menghantar arus listrik. Tujuan lempengan besi ini pada inti trafo adalah
untuk mereduksi rugi-rugi pada inti trafo terdiri dari rugi Magnetis dan rugi arus Eddy, dengan konstruksi inti besi berupa lempeng-lempeng yang terisolasi akan memperkecil rugi arus Eddy yang sangat drastis.
Perubahan tegangan pada out - put bergantung pada ratio dari jumlah gulungan primer dengan gulungan sekundernya. Jumlah gulungan primer adalah N1 dan gulungan sekunder N2 selanjutnya untuk
trafo ideal ratio gulungan dan tegangan out - put adalah :
a I I N N E E 2 1 1 2 1 2 ...(2.1) Dimana :
E1 = Tegangan induksi primer (volt)
E2 = Tegangan induksi sekunder (volt)
N1 = jumlah gulungan primer.
N2 = jumalah gulungan sekunder.
I1 = Arus belitan primer (ampere)
I2 = Arus belitan sekunder (ampere)
k = Ratio, yaitu perbandingan belitan dengan tegangan
Komponen yang menerima energi listrik adalah komponen primer dan komponen yang memberikan energi listrik kebeban adalah sekunder. Bila komponen primer dihubungkan kesumber tegangan bolak-balik, akan timbul fluksi bolak-balik yang amplitudo tergantung pada tegangan primer dan jumlah lilitan primer.
Fluksi bersama akan timbul menghubungkan komponen yang lain, yaitu komponen sekunder akan menginduksikan tegangan didalamnya, yang nilainya tergantung pada jumlah lilitan sekunder dengan pertimbangan jumlah lilitan primer dan sekunder yang tepat, hampir semua perbandingan tegangan atau perbandingan transformasi (ratio of transformation) yang diinginkan dapat diperoleh.
Transformator digunakan secara luas didalam sistem tenaga listrik memungkinkan dipilihnya tegangan yang sesuai dengan tiap-tiap keperluan misalnya kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya listrik jarak jauh. Dalam bidang elektronika transformator digunakan antara lain sebagai gandengan impedansi antara sumber dan bahan, untuk memisahkan satu rangkaian dari rangkaian lain, untuk menghambat arus searah sambil tetap melakukan arus bolak-balik antara rangkaian.
II.2. Arus Penguat
Arus primer Io yang mengalir pada saat kumparan sekunder tidak dibebani disebut arus penguat. Dalam kenyataannya arus primer Io bukanlah merupakan arus induktif murni, hingga ia terdiri atas dua komponen (Gambar II.2):
Gambar II. 2 Rangkaian arus penguat transformator
(1) Komponen arus pemagnetan IM, yang menghasilkan fluks ( ). Karena sifat besi yang non linier (ingat
kurva B-H), maka arus pemagnetan IM dan juga fluks ( ) dalam kenyataannya tidak berbentuk
sinusoidal
(2) Komponen arus rugi tembaga IC, menyatakan daya yang hilang akibat adanya rugi histeris dan ‘arus
eddy’. IC sefasa dengan V1, dengan demikian hasil perkaliannya (IC x V1) merupakan daya (watt)
yang hilang.
II.3. Prinsip Kerja Transformator
Yang sangat mendasar dari prinsip kerja transfomator ini adalah perpaduan hukum-hukum dasar tenaga listrik, yaitu :
Hukum Faraday
Bila magnet berubah-ubah terhadap waktu akibat arus bolak-balik, suatu medan listrik akan dibangkitkan (diinduksikan) medan magnet atau fluksi yang berubah-ubah terhadap inti besi menghasilkan GGL yang berbanding lurus dengan banyaknya lilitan.
dt d N
E
f
...(2.2)Hukum Ampere
Bahwa integral keliling kuat medan magnet berbanding lurus dengan besarnya arus listrik
yang berhubungan oleh integral keliling tersebut.
HdL
EdA... (2.3)
Hukum Lenz
Arah arus induksi dalam suatu penghantar selalu menghasilkan medan magnet yang
menentang sebab-sebab yang menimbulkannya.
Hukum Ohm
Kuat arus berbanding lurus dengan GGL dan berbanding terbalik dengan jumlah
hambatan pada rangkaian seluruhnya.
E =
I . R ... (2.4)
Hukum Kaidah Tangan Kanan
Bila arus listrik mengalir pada suatu penghantar yang diletakkan dalam suatu lilitan maka
ibu jari tangan kanan akan menunjukkan arah arus dan jari-jari yang digenggam akan
menunjukkan arah garis gaya listrik (kuat medan).
Dari hukum-hukum dasar tersebut diperoleh prinsip kerja dari transformator, yaitu
apabila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan maka akan mengalir arus
bolak-balik I
1pada kumparan tersebut. Oleh karena itu kumparan terletak pada inti, arus I
1akan
menimbulkan
f
1(fluks magnet) yang berubah-ubah terhadap intinya. Akibat adanya fluksi
magnet yang berubah-ubah pada kumparan primer akan timbul GGL induksi E
1. Besarnya
induksi pada kumparan primer adalah
dt d N
E1 1
f
( Volt) ... (2.5)
Dimana :
E
1= GGL induksi pada komponen primer (Volt)
N
1= Jumlah lilitan kumparan primer
dt = Perubahan waktu dalam satuan detik
d
f
= Perubahan garis gaya magnet (weber)
Fluksi magnet yang menginduksi GGL induksi E
1juga dialami oleh kumparan sekunder
karena merupakan fluksi bersama. Dengan demikian fluksi tersebut menginduksikan GGL
induksi E
2pada kumparan sekunder, dimana besar GGL induksi kumparan sekunder adalah :
dt d N
E2 2
f
( Volt) ... (2.6)
Dimana :
E
2= GGL induksi pada kumparan sekunder (Volt)
N
2= Jumlah lilitan sekunder
Fluksi pada saat t dinyatakan dengan persamaan
f
(t) =
f
max
sin wt sehingga GGL
induksi pada kumparan primer adalah fluksi yang sinusoidal ini menghasilkan induksi E
1(hukum
Faraday).
dt d N E1 1f
dt
wt
d
N
(
maxsin
)
1f
= -N
1w
f
maxcos wt (tertinggal 90
dari
f
)
Cos wt = cos 2π f t
Harga efektifnya E
1 maksmaks f N f N
f
f
. . 44 , 4 2 . . 2 . 1 1 pada rangkaian sekunder, fluksi (
f
) bersama tersebut menimbulkan :
dt d N E2 2
f
2N
w
f
maxcos wt ... (2.7)
Jika : E
2= 4,44 N
2 ff
maxSehingga :
1 2 1 2N
N
E
E
... (2.8)
Dengan mengabaikan rugi-rugi tahanan dan adanya fluksi bocor, untuk trafo ideal
berlaku :
2 1 1 2 1 2I
I
N
N
E
E
k ... (2.9)
Dimana :
Dalam hal ini tegangan induksi E
1mempunyai besaran yang sama tetapi berlawanan arah
dengan tegangan sumber V
1. Apabila k < 1, maka transformator berfungsi untuk menaikkan
tegangan (
step up trafo
) dan jika k > 1, maka transformator berfungsi sebagai penurunan
tegangan
(step down trafo
).
II.3.1. Inti Transformator
Transformator terdiri dari pada sebuah inti (
core
) yang terbuat dari laminasi-laminasi
baja silikon yang berisolasi dimana padanya dililitkan dua atau lebih kumparan. Kumparan yang
dihubungkan dengan tegangan pemasok (
supplay
) disebut kumparan primer dan kumparan
lainnya yang biasa dihubungkan dengan beban disebut kumparan sekundernya.
Kumparan primer yang disambungkan kepada sumber tegangan tadi akan menghasilkan
(GGL) yang arahnya berlawanan dan membatasi arus yang diambil dari sumber. Fluksi tadi akan
membangkitkan GGL pada sisi sekunder.
Gaya gerak listrik inilah yang menimbulkan arus beban. Dengan demikian terjadi suatu
perpindahan daya listrik dengan cara elektromagnetis dari kumparan primer ke kumparan
sekunder. Pada transformator untuk menaikkan tegangan (
step-up
) jumlah lilitan sekunder lebih
banyak jumlahnya dari pada kumparan primer, sebaliknya pada tranformator untuk menurunkan
tegangan (
step-down
) jumlah lilitan sekunder lebih sedikit dari pada jumlah lilitan pada
kumparan primer.
Inti transformator adalah bagian tempat lewat fluksi. Bersama inti transformator ini
biasanya terbuat dari lempengan besi yang berguna untuk mengurangi rugi-rugi hysterisis dan
eddy current
.
Rugi-rugi hysterisis berhubungan dengan bahan yang dipakai sedangkan rugi-rugi eddy
current yang berhubungan dengan ketebalan menurut konstruksi inti transformator dapat
digolongkan menjadi dua macam yaitu :
1.
Belitan cangkang (
shell type
)
2.
Belitan inti (
core
inti)
Laminasi besi/baja yang merupakan sirkuit magnetis dapat dibuat konstruksinya dengan
barmacam-macam cara terhadap kumparannya.
1.
BELITAN CANGKANG
(SHELL TYPE)
Dalam jenis cangkang ini, kumparan dililit disekitar kaki tengah dari inti berkaki tiga.
Gambar II. 4. Belitan Cangkang
2.
BELITAN INTI
(CORE TYPE)
Transformator type ini dimaksudkan untuk mengurangi kerugian oleh arus pusar didalam
inti. Rangkaian magnet ini biasanya terdiri dari sekelompok lapisan tipis.
Gambar II. 5. Belitan Inti
II.3.2. Rangkaian Ekivalen Transformator
Rangkaian Ekivalen suatu transformator dapat digambarkan dan diuraikan dalam dua
keadaan, yaitu :
Dalam Keadaan Beban Nol
Rangkaian Ekivalen Transformator beban nol, dapat dilihat seperti pada Gambar II. 6 dibawah ini.
o
V
1E1
R
mX
mX
mR
cI
+
-I
I
m cGambar II.6. Rangkaian ekivalen transformator beban nol
Dari gambar dapat diambil persamaan :
Io
= Ic + Im
V
1= E
1+ Io . Zo
Zo
= Rc + j Xm
Untuk menggambarkan vektor diagram transformator beban nol, perlu diketahui :
a.
Komponen arus rugi-rugi besi Ic menyatakan daya yang hilang akibat adanya arus eddy,
dimana Ic setara dengan V
1, maka dihasilkan Ic . V
1merupakan daya yang hilang dalam
satuan watt.
b.
Komponen arus pemagnetan adanya rugi-rugi hysterisis Im yang menghasilkan fluksi
tertinggal 90
dari tegangan V
1.Dengan demikian dapat digambarkan Vektor diagramnya, seperti gambar dibawah ini.
V
1Ic
Io
0Im
f
E
1E
2Gambar II. 7. Vektor diagram transformator beban nol
Dalam Keadaan Berbeban
Apabila kumparan skunder dihubungkan dengan Z
1, I
2mengalir pada kumparan skunder,
dimana I
2= V
2/Z
1dengan
f
2= faktor kerja beban.
Arus beban I2 ini akan menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) N2 I2 yang cenderung menentang
fluksi (f) bersama yang telah ada akibat arus pemagnetan Im.
Agar fluksi bersama itu tidak berubah nilainya, pada kumparan primer harus mengalir I2', yang
menentang fluksi yang dibangkitkan oleh arus beban I2 hingga keseluruhan arus mengalir pada
kumparan primer menjadi
I1 = I0 + I2' ...(2.10)
Bila rugi-rugi besi diabaikan (Ic atau Iw diabaikan) maka I0 = Im atau I
I1 = Im + I21 ...(2.11)
Untuk menjaga agar fluksi tetap tidak berubah sebesar ggm yang dihasilkan oleh pemagnetan Im
saja, berlaku hubungan.
N1 Im = N1 I1+ N2 I2 ...(2.12)
Karena nilai Im dianggap kecil I2' = I1 jadi
N1 Im = N2 I2 atau I1/I2 = N2/ N1 ...(2.13)
II.3.3. Menentukan Parameter
Rangkaian transformator yang terdapat pada model rangkaian (Rangkaian ekivalen) Rc, Xm, Rek,
dan Xek, dapat ditentukan besarnya dengan dua macam pengukuran (test) berikut :
1. Pengukuran Beban Nol
Dalam pengukuran tanpa beban bila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan V1, maka hanya I0 yang mengalir.
Dari pengkuran daya yang masuk (P1), arus I0 dan tegangan V1 ; akan diperoleh harga :
Rc 1 2 1
P
V
Z0jXm
Rc
jXmRc
P
V
1 1dengan demikian dari pengukuran beban nol dapat diketahui harga Rc dan Xm
Xm W Rc V W A
Gambar II.9. Rangkaian pengukuran beban nol
Pengujian beban nol dilakukan untuk menentukan rugi-rugi inti dan beban nol, dimana
rugi-rugi inti terdiri dari rugi hysterisi
s
dan rugi arus eddy.
Rugi-rugi Hysterisis yaitu rugi-rugi yang disebabkan fluksi bolak-balik pada inti besi, yang
besarnya adalah :
Ph = Kh . F. Bm
x(watt) ... (2.14)
Dimana :
Bm
= Rapat fluksi maksimum (wb/m
3)
F
= Frekuensi sumber energi listrik (c/s)
x
= Konstanta yang harganya tergantung dari jenis inti trafo untuk baja carbon.
x = 1,5 – 2,5 dan biasanya diambil 1,6
Untuk menentukan harga Bm ditentukan rumus :
Bm
A
N
f
V
.
.
.
44
,
4
1 1
wb/m
2...(2.15)
Dimana :
N
1= Jumlah lilitan sekunder
A
= Luas penampang inti
Persamaan 14 disubstitusikan kepersamaan 15 didapat :
Ph x x x
f
A
N
V
kh
.
)
.
..
44
,
4
(
.
1 1
1 1 1.
)
.
.
44
,
4
(
.
xx xf
A
N
V
kh
Ph 1 1
xf
V
k
Dimana : k x A N kh ) . .. 44 , 4 ( 1 Jadi besar rugi-rugi hysterisistergantung kepada tegangan dan frekwensi sumber. Dari rumus 15 didapat bahwa untuk memperkecil rugi-rugi hysterisis tersebut maka f.Bmx harus diperkecil, karena f adalah
frekwensi sistem yang besarnya tetap, maka yang diperkecil adalah Bmx = Bm A
m
f
Rugi-rugi arus eddy adalah rugi-rugi yang disebabkan adanya pusar pada inti transformator
yang besarnya adalah :
Pe = ke.f
2. Bm
2(watt) ... (2.16)
Karena inti trafo merupakan suatu penghantar yang dialiri arus bolak-balik, pada inti
tersebut akan timbul Emf induksi. Dengan adanya Emf induksi ini maka pada inti tersebut akan
mengalir arus, karena adanya resistansi pada inti tersebut, maka pada inti tersebut akan terjadi
rugi-rugi daya dan inilah yang disebut rugi-rugi arus eddy.
f
m dx
T
x
1
1Gambar II.10. Inti transformator yang dilalui fluksi magnet
Dari gambar II.10 terlihat besar Emf yang ditimbulkan E = 4,44. f . Bm . A,
dimana : A = x . 1
2Tahanan inti :
R x xd
p
A
p
.
1
1
.
1
.
1 2
Ax
1
1.
d
xInti trafo yang dilalui fluksi magnet :
dpe
)
.
(
.
)
.
(
..
.
44
,
4
1 2 2 2dx
p
x
Bm
f
2 1 2 3.
2
.
.
)
.
.
..
.
44
,
4
(
p
dx
x
Bm
f
x
dx
p
Bm
f
t.
.
2
.
.
.
.
)
44
,
4
(
2 1 2 0 2 2 2
p
t
Bm
f
6
.
.
.
)
..
.
44
,
4
(
2
2
1 3
Pe 2 2.
f
ke
(watt) Dimana :p
t
Bm
f
6
.
.
.
)
..
.
44
,
4
(
2
2
1 3
Dengan menganggap bahwa rapat fluksi uniform, akan terlihat bahwa rugi-rugi arus eddy
akan sebanding dengan luas penampang inti disamping frekwensi dan rapat fluksi maksimum,
sehingga untuk memperkecil rugi-rugi arus eddy ini, maka inti dari transformator dibuat dari
lempengan baja yang tipis yang disusun berlapis-lapis dan masing-masing lapisan dibatasi
isolasi. Lempengan ini disebut laminasi.
Jadi rugi-rugi inti (P inti) = Ph + Pe
Karena rugi-rugi beban nol dianggap hanya terdiri dari rugi-rugi inti maka rugi-rugi beban nol
tersebut dapat dianggap konstan untuk temperatur kerja yang tetap.
Pengukuran rugi-rugi beban nol :
R
2 1 2 1 . . V V K P K P Pm... (2.17)
Dimana :
P
1= Rugi-rugi hysterisis (watt)
P
2= Rugi-rugi eddy curent (watt)
Pm
= Rugi-rugi daya beban nol (watt)
V
= Tegangan rata-rata (Volt)
V
1= Tegangan beban nol (Volt)
2.
Pengukuran Hubung Singkat
Hubung singkat berarti impedansi beban Z
1diperkecil menjadi nol, sehingga hanya
impedansi Z
ek= R
ek+ jX
ekyang membatasi arus. Karena harga R
ekdan X
ekini relatif kecil, harus
dijaga agar tegangan yang masuk (P
1) cukup kecil sehingga arus yang dihasilkan tidak melebihi
arus nominal, harga I
0akan relatif kecil bila dibandingkan dengan arus nominal. Hingga pada
pengukuran ini dapat diabaikan.
w v
A
R X p Isc ek ekGambar II.11. Rangkaian Pengukuran hubung singkat
Dengan mengukur tegangan Vh.s dan arus Ih.s dan daya Ph.s akan dapat dihitung parameter :
Rek 2 . .
)
(
hs s hI
P
Zek ek ek s h s hjX
r
I
V
. . Xek
Z
ek2
R
ek2II.3.4. Rugi –Rugi Transformator
Suatu transformator dalam operasinya mempunyai rugi - rugi yang terdiri dari rugi-rugi
inti dan rugi - rugi tembaga. Pada umumnya yang paling berpengaruh pada harga ketelitian
rugi-rugi inti transformator
ada dua yaitu :
Bila diadakan suatu pengukuran pada rugi - rugi beban nol transformator, maka ada
kemungkinan bahwa tegangan yang dipakai dapat menyimpang dari tegangan sinusoidal murni.
Penyebab dari distorsi tegangan dapat ditelusuri kembali pada hubungan non linier antara B dan
H, besarnya distorsi akan bertambah bila harga saturasi didekati dan juga impedansi rangkaian
eksistensi bertambah.
Distorsi fluksi dapat dibatasi secara otomatis dengan penggunaan teknik Amplifier Feed Back, tetapi cara ini tidak selalu praktis dilakukan. Adalah perlu untuk membuat suatu koreksi yang tersedia pada rugi - rugi yang diukur pada tegangan-tegangan distorsi. Gelombang fluksi distorsi agak kompleks.
Beberapa percobaan telah dibuat dalam tahun - tahun terakhir ini untuk mengubah rugi - rugi yang diukur, dibawah kondisi eksitasi non sinusoidal pada suatu basis yang umum dari rugi - rugi dibawa kondisi eksitasi sinusoidal.
2. Efek Perubahan Temperatur
Suatu eksperimen yang diadakan didalam suatu studi pada sifat rugi -rugi baja silikon
menunjukkan efek perubahan temperatur pada rugi - rugi inti transformator.
Rugi-rugi Hysterisis Ph dari semua sampel Epstein mempunyai ketergantungan
temperatur yang dapat diabaikan. Rugi - rugi inti arus eddy dan rugi-rugi yang dihasilkan oleh
Epstein, akan berkurang dengan naiknya temperatur ini dapat diartikan dengan kenaikan
resistivitas listrik pada baja inti.
Tes-tes pada rugi-rugi beban nol dilaksanakan pada sejumlah transformator dari 10 KVA
s/d 50 KVA hasil tes menunjukkan bahwa rugi-rugi berbanding terbalik dengan temperatur.
II.4. Rugi-Rugi Tembaga (Pcu)
Rugi yang disebabkan arus beban mengalir pada kawat tembaga,
R
Pcu 2
Karena arus beban berubah-ubah, rugi baban juga tidak tetap tergantung pada beban
Gambar II.12. Struktur trafo
Sumber Kumparan primer Fluks bersama Kumparan skunder
Rugi Tembaga Rugi Tembaga
Rugi Besi : Histeresis dan
arus eddy Rugi fluks bocor
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
III.1. Umum
Isolasi adalah sifat atau bahan yang dapat memisahkan secara elektris dua buah
penghantar (atau lebih) yang berdekatan sehingga tidak terjadi kebocoran arus atau dalam hal
gradient, lompatan api (flashover).
Alat listrik yang dipakai untuk menjalankan tugas mengisolasi adalah isolator. Isolator alat-alat saluran listrik dan sebagainya dirancang dan dioperasikan untuk ukuran isolasi tegangan standart yang telah ditentukan. Selain itu isolasi tersebut dirancang pula agar dapat dipakai terus menerus pada tegangan-tegangan yang lebih tinggi dari tegangan yang diperolehkan, hal ini akan dilakukan untuk menjaga kemungkinan adanya perubahan teganga saat beroperasi.
Persoalan isolasi adalah salah satu dari beberapa persoalan yang terpenting dalam tegangan tinggi pada umumnya. Jadi isolasi peralatan listrik harus mempunyai pengaman listrik yang cukup untuk menjamin faktor keselamatan yang diperlukan. Kegagalan (failure) yang terjadi pada peralatan tegangan tinggi yang sedang dipakai dalam operasi sehari - hari disebabkan karena isolasi memburuk (deterioration) atau karena terjadinya kegagalan (breakdown) pada bagian - bagiannya. Pada umumnya bahan - bahan isolasi kelihatan sekali pada bahan tambang (mineral) terutama dipakai sendiri (tanpa campuran isolasi lain). Meskipun benda padat yang paling sederhana pun memperlihatkan sifat yang berbeda dan tidak ada benda padat yang bagaimanapun sama macamnya yang memberikan hasil (pengujian) yang sama.
III.2. Bahan Isolasi Dan Fungsinya
Pemilihan bahan merupakan salah satu proses memecahkan masalah kualitas isolasi pada suatu bahan.
Berdasarkan sifat - sifat bahan isolasi dapat dikelompokkan sebagai berikut : 1. Logam dan Alloy
2. Keramik dan Gelas 3. Polymer Organik
III.2.1. Logam Dan Alloy
Logam terdiri dari atom - atom yang sangat rapat satu sama lainnya, dan mempunyai berat jenis yang tinggi dari pada bahan baku logam, serta dapat dirubah bentuknya dengan pengerjaan panas maupun dingin.
Logam dianggap sebagai terdiri dari phasa - phasa homogen yang sifat - sifatnya ditentukan oleh parameter thermodinamika tertentu. Akan tetapi hal ini hanya memungkinkan evaluasi atas beberapa sifat saja. Kemudian, pendekatan lainnya menggunakan struktur atom logam sebagai dasar analisa, dan sifat - sifatnya dihubungkan dengan susunan atom karakteristiknya. Cara pendekatan ini disebut crystallography.
Alloy adalah gabungan dari dua logam atau lebih yang berbeda dari komponen pembentuknya. Dengan pencampuran ini sifat - sifat mekanis seperti kekuatan, derajat kekerasan dapat diperbaiki semakin lebih baik lagi. Adapun contoh dari bahan logam dan alloy ini adalah baja, aluminium, tembaga, perak , emas, kuningan dan perunggu.
III.2.2. Keramik Dan Gelas
Keramik adalah bahan organik yang diproses atau digunakan pada temperatur yang tinggi. Didalamnya termasuk berbagai macam silikat, oksida logam dan kombinasi silikat dengan oksida logam. Senyawa - senyawa ini pada umumnya memiliki derajat kekerasan yang tinggi, dan beberapa diantaranya mempunyai kestabilan yang tinggi dengan tinggi lebur yang tinggi juga. Keburukkan utama dari semua bahan ini adalah sifatnya yang mudah pecah (keras - rapuh).
Gelas merupakan bahan hasil dari pelelehan yang pada waktu membeku dari keadaan cairnya gagal membentuk kristal. Selama proses pendinginannya, gelas tidak menunjukkan perubahan yang diskontinyu pada suatu temperatur, yang tampak hanyalah kenaikan viskositas secara berangsur-angsur. Silikat merupakan pembentuk gelas yang paling banyak digunakan. Pembentuk gelas lainnya adalah Oksida Boron, Vanadium, Germadium, dan phosphor. Adapun contoh dari bahan keramik dan gelas adalah beton, semen dan mortar.
III.2.3. Polymer Organik
Plastik, serat, film dan sebagainya yang bisa dipergunakan dalam kehidupan sehari - hari mempunyai berat molekul diatas 10.000. Bahan dengan berat molekul yang besar itu disebut polymer, mempunyai struktur dan sifat - sifat yang cukup rumit disebabkan oleh jumlah atom pembentuk yang jauh lebih besar dibandingkan dengan senyawa yang berat atomnya rendah. Umumnya suatu polymer dibangun oleh satuan struktur tersusun secara berulang diikat oleh gaya tarik menarik yang kuat yang
disebut ikatan kovalen, dimana setiap atom dari pasangan terikat menyumbang satu elektron untuk membentuk sepasang elektron.
Bahan polymer yang mempunyai berat molekul besar dan berikatan kovalen, sama sekali menunjukkan sifat - sifat yang berbeda dari bahan organik yang mempunyai berat molekul yang rendah. Bahan yang mempunyai berat molekul rendah berubah menjadi cair dengan sangat kental dan tidak menguap.
Banyak bahan yang mempunyai berat molekul rendah larut pada pelarut yang mempunyai viskositas yang rendah, sedangkan sejumlah bahan polymer umumnya tidak larut pada zat pelarut dan kalau pun bisa larut, viskositasnya sangat tinggi.
Sifat - sifat khas bahan polymer pada umumnya adalah sebagai berikut :
1. Mampu cetak adalah baik. Pada temperatur relatif rendah bahan dapat dicetak denga penyuntikkan, penekanan, ekstruksi dan seterusnya, yang menyebabkan ongkos pembuatan lebih rendah dari pada bentuk logam dan keramik.
2. Produk yang kuat dan ringan dapat dibuat. Berat jenis polymer rendah dibandingkan dengan logam dan keramik yaitu 1,0 – 1,7 yang memungkinkan membuat barang kuat dan ringan.
3. Banyak diantara polymer bersifat isolasi yang baik. 4. Baik sekali dalam ketahanan air dan ketahanan zat kimia.
5. Produk - produk dengan sifat yang cukup berbeda dapat dibuat tergantung pada cara pembuatannya.
6. Umumnya bahan polymer lebih murah.
7. Kurang tahan terhadap panas. Hal ini sangat berbeda dengan logam dan keramik. Walaupun ketahanan panas bahan polymer tidak sekuat logam dan keramik, pada penggunaannya harus cukup diperhatikan.
8. Kekerasan permukaan yang sangat kurang. Bahan polymer yang keras ada, tetapi masih jauh dibawah kekerasan logam dan keramik.
9. Kurang tahan terhadap pelarut. Umumnya larut dalam zat pelarut tertentu kecuali beberapa bahan khusus. Kalau tidak larut, mudah kontak karena kontak yang terus menerus dengan pelarut dan disertai adanya tegangan.
10.Mudah termuati listrik secara elektrostatik.
11.Beberapa bahan tahan abrasi, atau mempunyai koefisien gesek yang kecil.
Dengan melihat berbagai sifat yang disebut diatas, maka sangat penting untuk dapat memilih bahan yang paling cocok. Adapun contoh dari bahan polymer organic adalah PVC, Polyethylene, Nylon, Kapas, Karet, PVF, Polystyrene dan polyester. Isolasi sangat penting sekali fungsinya khususnya dalam bidang Teknik Tegangan Tinggi dan arti ekonominya sehingga penghematan dalam pemakaiannya adalah mutlak ( perlu ).
Berdasarkan fungsinya maka bahan isolasi dapat digolongkan sebagai berikut: a. Penyangga / panggantung ( solid support ), yang pasti berbentuk padat.
b. Bahan pengisian ( filling media ), berupa bahan cairan atau gas.
c. Bahan penutup biasa terdapat pada bagian paling luar, berbentuk padat dan cair.
III.3. Sifat Bahan Isolasi Berdasarkan Karakteristik
Berdasarkan karakteristik dan sifat - sifatnya bahan isolasi dapat dianalisa berdasarkan empat macam sifat yaitu :
1. Sifat mekanik, gaya - gaya yang mempengaruhi. Jika gaya tidak menyebabkan perubahan momentum pada suatu sistem maka sistem berada dalam keseimbangan meliputi tahanan isolasi, dielektrik strench, power losis, constant elektrik dan lain - lain.
2. Sifat listrik, pada suatu bahan isolasi kelihatan sekali pada bahan tambang (mineral) terutama bila dipakai sendiri (tanpa campuran) meliputi kekuatan tarik, kekerasan dan kerapuhan.
3. Sifat kimiawi, meliputi kestabilan bahan, ketahanan terhadap asam dan basa, korosi dan sebagainya. 4. Sifat panas, selalu merambat (mengalir) dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah lebih
mudah merambat pada logam. Meliputi tahanan panas, koefisien pemakai, viscocity dan sebagainya. Biasanya karakteristrik isolasi padat untuk suatu pengetrapan merupakan kompromi karena perbaikan sifat dari bahan yang sama akan menyebabkan berkurangnya sifat lain dari bahan tersebut.
Misalnya dalam hal isolasi berlapis, bila gaya dielektrik isolasi hendak dinaikkan sampai harga maksimumnya, maka akan menjadi lekas patah/pecah (brittle) atau tidak sempurna bentuknya karena keretakkan. Kualitas yang seimbang didapatkan dari pengujian berulang - ulang.
Dalam hal ini isoalsi berserat (fibrous), misalnya untuk trafo, mempunyai sifat menua (angin) dalam gaya mekanisnya pada semua suhu dan kecepatan menuanya naik dengan cepat sekali dengan naiknya suhu, kecepatannya berlipat dua untuk kenaikkan suhu.
Meskipun demikian, sekarang listrik proses penuaan tidak sampai bahannya menjadi gampang pecah atau rusak. Minyak juga menjadi rusak pada semua suhu bila terkena udara karena oksidasi endapan seperti Lumpur (slugde) yang menjadi bertambah bila suhunya meninggi. Bila kontak dengan udara ditiadakan maka endapan sangat berkurang. Inilah sebabnya juga mengeluarkan kelembaban dalam isolasi maka semua transformator tegangan dilengkapi dengan konservator.
III.4. Tebal Isolasi
Suatu kenyataan yang banyak diakui kebenarannya menunjukkan bahwa gaya dielektriknya suatu bahan isolasi naik, bahkan dikatakan selalu turun dengan kenaikkan tebal isolasi yang dapat dibuat hanya dengan tebal terbatas. Ini berarti bahwa pada tegangannya perlu diatur didalam tubuh isolator dengan mengadakan elektroda tambahan atau dengan memakai bahan dengan konstanta dielektrik yang berbeda.
Pada umumnya (secara praktis dapat dibuktikan), gaya dielektrik dari bahan isolasi termasuk minyak dapat dinyatakan sebagai rumus eksponensial sederhana dimana gaya naik dengan tebalnya dipangkatkan angka kurang dari satu.
F = a . tn ...(3.1)
Dimana :
F = Gaya dielektrik (N)
a = Konstanta, tergantung beban t = Tebal isolasi (m2)
n = 0,5 – 1,0
harga (n) untuk bahan padat tergantung dan dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti kekeringan, struktur bahan, pengolahan bahan (n lebih rendah untuk bahan yang diolah dari bahan yang tidak diolah) dan bentuk elektroda yang dipakai. Untuk medan seragam harga (n) biasanya lebih tinggi dari pada harga (n) untuk medan tidak seragam.
Untuk minyak ada faktor lain yang mempengaruhi harga (n) minyak yang dihilangkan gasnya, bila diuji diantara piringan rata gaya dielektrik dan harga (n) nya berubah-ubah, tergantung dari posisi piringan, tegak atau mendatar. Hal ini disebabkan karena udara yang tertangkap pada elektroda atas yang mendatar memegang peranan penting dalam kegagalan.
III.5. Faktor Yang Mempengaruhi Ketahanan Isolasi
Bentuk medan listrik antara penghantar dengan tanah atau dengan penghantar lainnya menentukan rencana (desing) semua isolasi tegangan tinggi. Tujuannya adalah membagi bahan dielektrik diantara elektroda tersebut. Bahan logam yang dipasang diantaranya, misalnya ada pada bushing kapasitor, gandengan isolator dan lain - lain merubah bentuk medan dan kadang - kadang dipakai cara untuk menghemat bahan dielektrik.
Karakteristik semua macam isolator ditentukan oleh hukum yang sama, meskipun masing - masing mempunyai beberapa ciri perencanaan khusus. Pada pokoknya tegangan pada isolator merupakan suatu tarikan / tekanan (stress) yang harus dilawan oleh suatu gaya didalam isolator itu sendiri agar supaya isolator tidak gagal. Gaya perlawanan ini ialah ukuran gaya listrik pada isolator. Dalam struktur molekul dalam bahan isolasi, elektron - elektron terkait erat pada molekul dan ikatan ini mengalami perlawanan terhadap tekanan tegangan. Apabila ikatan ini pada suatu tempat maka sifat isolasi hilang pada tempat itu.
Disamping elektron - elektron yang erat ikatannya tadi, ada elektron - elektron lain (sedikit jumlahnya) yang ikatannya kurang kuat, yang bila dikenakan tegangan dapat bergerak dari molekul satu ke molekul yang lain, sehingga timbulah arus konduksi. Arus ini disebut arus bocor.
Ada lagi arus lain yang disebut arus absorpsi yang dapat diumpamakan sebagai pemolaran (stretching) sedikit demi sedikit dari ikatan elektron sesudah pemindahan utama (main displacement) terjadi, sampai keseimbangan antara tekanan listrik dan gaya lawannya.
Jadi bila tekanan listrik diterapkan pada isolasi, maka tiga arus terjadi :
a. Arus pemindahan (dispolacement current) atau arus penguat (untuk DC singkat sekali). b. Arus absorpsi yang dapat berlangsung dari berjam - jam sampai berminggu - minggu. c. Arus konduksi yang sederhana.
Untuk menghasilkan arus - arus ini dikeluarkan tenaga, dan bila tegangan yang diterapkan cukup tinggi untuk memutuskan ikatan elektron, maka arus penguat dan arus absorpsi timbul dan berubah menjadi arus konduksi, yang bersamaan arus konduksi yang sebenarnya merupakan arus gagal dari pada isolator.
Dari uraian diatas kelihatan bahwa sebuah isolator tertentu, dalam suasana tertentu selalu akan mempunyai tegangan gagal yang sama, hal ini tidak selalu benar, karena karakteristiknya berubah pola ia kemasukkan suatu ketidak murnian (impurty) adanya arang dalam minyak atau kelembaban dalam isolasi berserat menurunkan tegangan gagal.
Gradient tegangan dv/dx melalui sebuah isolator tidak konstan sepanjang isolator tersebut. Meskipun elektrodanya plat - plat sejajar, gradient tegangannya paling curam dekat keping - keping tadi. Ditengah, diantara kedua plat gradientnya seragam bila dimensinya besar dibandingkan dengan jarak antara kedua plat. Bila bentuk medan tidak seragam dan tidak teratur seperti alat - alat pemutus beban, variasi gradient tegangan besar sekali. Akibatnya sebagian isolator ditekan lebih berat dari pada bagian yang lain, sehingga mungkin terjadi kegagalan sebagian.
Pada isolator cairan, kegagalan lokal tidak mungkin menjadi kegagalan total, oleh karena cairan mempunyai sifat menutup sendiri (self – sealing). Sebaliknya pada isolasi padat kegagalan lokal bersifat progresif, yang akhirnya menjadi kegagalan total. Jadi dapat disimpulkan factor yang mempengaruhi ketahanan isolasi salah satunya adalah bahan isolasi yang dipakai.
III.5.1. Pengaruh Temperatur Terhadap Tahanan Jenis
Umumnya bahan tahanan adalah bahan yang mempunyai banyak elektron bebas. Bahan yang sedemikian dikatakan mempunyai tahanan rendah terhadap aliran arus listrik atau mempunyai konduktansi yang tinggi. Oleh sebab itu konduktor listrik yang baik mempunyai konduktansi yang tinggi dan tahanan yang rendah.
Tidak semua bahan konduktor memberikan tahanan yang sama terhadap aliran arus karena bahan yang mempunyai jumlah elektron bebas berbeda. Sebagai contoh, tembaga mempunyai tahanan yang lebih rendah terhadap aliran arus dari pada aluminium.
Tahanan tidak hanya tergantung pada bahan yang digunakan, tetapi juga pada ukuran. Dalam konduktor yang mempunyai luas penampang yang besar, jumlah elektron bebas yang bergerak lebih besar dari pada dalam kawat yang mempunyai luas penampang kecil. Jadi, semakin besar konduktor, semakin rendah tahanannya.
Tahanan juga tergantung pada panjang konduktor. Konduktor yang panjangnya 20 kaki mempunyai tahanan dua kali lebih besar dari pada konduktor dengan bahan yang sama yang panjangnya 10 kaki.
Tahanan juga tergantung pada temperatur. Perubahan temperatur akan mengakibatkan perubahan tahanan.
Maka dapat disimpulkan, tahanan konduktor bergantung pada bahan, luas penampang, panjang dan temperatur.
Dinyatakan sebagai persamaan :
R = A L
……….. (3.2) Dimana : R = Tahanan (Ω) L = Panjang (m) A = Luas penampang (m2)
= Konstanta tahanan jenis (Ω-m)Hubungan linier antara temperatur dan tahanan berlaku untuk seluruh daerah temperature yang umum dijumpai dan dapat dinyatakan secara mekanik sebagai berikut :
R2 = R [ 1 + α (t2 – t)] ...(3.3)
Dimana :
R2 = Tahanan pada temperatur t2 (Rt2)
α = Koefisien temperatur tahanan
Untuk menghitung tahanan kawat pada temperatur ruang 20°C dapat ditulis :
R20 =
Tk
5
,
294
20
5
,
234
...(3.4) Dimana :R20 = Tahanan kawat pada 20°C (Rt2)
Rx = Tahanan kawat hasil pengukuran (Ω)
Tk = Temperatur ruang atau kamar (°C)
Konduktivitas kawat tembaga dapat dihitung dengan rumus :
)
20
(
.
.
(%)
2B
t
G
I
m
Rx
A
...(3.5) Atau)
20
(
.
.
(%)
2D
t
G
I
m
Rx
C
...(3.6) Dimana :R = Besar tahanan kawat (Ω) M = Massa (gram)
ℓ = Panjang kawat (m)
t = Temperatur pengukuran (°C) G, A, B, C, D = Konstanta
σ = Konduktivitas kawat tembaga (%)
Untuk mengetahui harga - harga konstanta dari jenis kawat tembaga dan aluminium dapat dilihat seperti pada table III.1.
Tabel III.1. Harga-Harga Konstanta Dari Jenis Kawat Tembaga dan Aluminium
Konstanta Kawat Tembaga Kawat Aluminium A B C D G 0,017241 0,000068 0,153280 0,000600 8,890000 0,01724 0,000113 0,046553 0,00031 2,70
Dari perhitungan tahanan kawat pada temperatur 75°C haru smemenuhi standart yang telah ditentukan yaitu : R75°C = x Km A 1000 / 0211415 , 0 ...(3.7)
III 5.2. Pengaruh sifat dielektrik dan kekuatan dielektrik
Suatu bahan dielektrik adalah merupakan bahan yang tidak dapat melakukan muatan listrik karena electronnya terikat kuat dengan inti atomnya. Akan tetapi muatan ini peka terhadap medan listrik atau dapatmempengaruhi oleh medan listrik. Selama medan listrik masih ada selama itu pula elektron-elektronnya akan berberak.
Dielektrik Plat
Gambar 3 . 1. Arah getaran electron pada dielektrik
Elektron-elektron dari bahan dielektrik akan bergerak dalam arah (+) medan listrik. Sehingga akan terjadi pengkutupan atau muatan-muatan akan terinduksi.
Dimana polarisasinya : P = V d Q. ... (3.8) ApabilaV = A .d , maka : P = A Q ...(3.9) Dimana : V = Volome dielektrik
Q = Muatan pada dielektrik (J) A = Luas penampang dielektrik (m2)
d = Tebal dielektrik (mm)
Jumlah polaritas tergamtung pada struktur bahan dan pengaruh rapat muatan yaitu : D (C/m2)
pada suatu kapasitor. Jika antara plat adalah vacuum maka rapat muatan adalah sebesar Do dan
sebanding dengan muatan listrik E atas ; Do = δo E (C/m2)
Dimana :
δo= Permitivitas udara / vacuum (konstanta perbandingan)
= 8,85 x 10-12 farad / m
Bila ada bahan dielektrik diantara plat maka rapat muatan meningkat menjadi D, Dimana :
D = K . Do
Dimana :
K = Konstanta elektrik dari dari bahan permeabilitas dielektrik. K = δr ,dimana : δ = K . Do
= δr . δo
D = K . δo .E
Maka : D = δ . E
Untuk, δr = 1, maka : δ = δo
Kuat medan listrik dianatar kedua plat pararel adalah :
E =
D V
... (3.10)
Dimana :
E = Kuat medan listrik (Volt / m) V = Tegangan antara plat (Volt) D = Jarak antara plat (m)
Suatu dielektrik adalah mempunyai elektron yang terikat kuat untuk suatu kondisi, apabila diberikan tegangan tertentu yang mengakibatkan terjadinya break down (tembus) tersebut. Jadi tegangan tembus dari suatu dielektrik adalah tegangan miminum yang dibutuhkan untuk tembus.
Kekuatan dielektrik suatu isolator adalah tegangan maksimum yang dapat ditahan oleh bahan tanpa terjadi break down (tembus).
Gradien tegangan : E=
D V
Misalnya, kekuatan dielektrik suatu bahan adalah 3 kV / mm, ini berarti bahan tegangan maksimum dengan tebal 1 mm dari bahan dapat ditahannya tanpa tembus pada tengangan 3 kV. Jika tegangan dinaikkan dari harga ini dielektrik akan tembus dan akan melakukan arus listrik.
Untuk mengetahui konstanta dielektrik serta kekuatan dielektrik suatu bahan dielektrik dapat dilihat pada tabel III.2.
Tabel III.2. Konstanta Dielektrik Serta Kekuatan Dielektrik Suatu Bahan Dielektrik
No Material Konstanta Dielektrik Kekuatan Dielektrik (KV / mm) 1 Air (udara) 1 3,2 2 Glass 5 - 12 12 – 60 3 Mica 4 - 16 20 – 60 4 Rubber (karet) 2,5 - 5 Wood (kayu) 2,5 - 6,8 - 6 Miconita 4,5 - 6 25 – 35 7 Paper (kertas) 1,8 - 3,6 - 8 Paraffin wax 1,7 - 2,3 30 9 Porselen 5 - 6,7 - 10 Qartz 4,5 - 4,7 15 11 Sulpur 3,6 - 4,1 8 12 Nilon 4 - 13 Polietilen (pt) 2,3 - 14 PVC (plastik) 3,4 - 7 -
III.5.3. Pengaruh Potensial Gradien (Medan Listrik)
Secara umum gradien tegangan dapat dituliskan :
E =
-dx dv
Gradien tegangan dv/dx ...(3.11)
Tanda minus menunjukkan, bahwa medan listrik diarahkan dari daerah tegangan yang tinggi kedaerah dengan potensial yang rendah. Gradien tengan dv / dx melalui suatu bahan isolator tidak konstan sepanjang isolator tersebut. Akibatnya sebagian isolator ditekan berat dari pada bagian yang lain, sehingga kemungkinan terjadi kegagalan (break down) sebagian.
Pada dielektrik (isolator) cair kegagalan lokal (sebagian) tidak mungkin menjadi kegagalan total, karena cairan mempunyai sifat menutup sendiri (self sealing) sebaiknya pada isolator padat kegagalan lokal bersifat progresif yang akhirnya menjadi kegagalan total. Dalam hal ini dianggap bahwa medannya seragam (lihat gambar II.2), arus bocor dapat diabaikan dan konsentrasi fluks pada pinggiran juga dapat diabaikan. Hal ini dapat dilihat pada kedua dielektrik dalam seri. Oleh karena perpindahan (displacement) netral sama, maka :
Dn1 = Dn2 δ1 .En1 = δ2 . En2 Dimana : δ1 , δ2 = permitivitas En1 , En2= kuat medan = 2 2 1 1
;
X
V
X
V
Oleh sebab itu, teganga dielektrik V1 , V2, sebagai fungsi dari seluruh tegangan V adalah :
V1 = ) / 1 ( X2
1 X1
2 V V2 = 1 2 2 1 / 1 ( X
X
V En1 En2
X1 X2
Gambar III.1. Medan Magnet Seragam
Bila terdapat n dielektrik dalam seri, maka gradien atau kuat medannya pada suatu titik X adalah : Enx=
n n xX
X
X
V
...
2 2 1 1 ...(3.12)Untuk gradien tegangan pada silinder konsentrasi yang dipisahkan oleh media yang berlainan
Ex =
n
rn
R
Log
r
r
Log
r
r
Log
V
V
ex
/
10
2
1
/
2
10
1
/
1
10
434
,
0
...(3.13) Dimana:r,r1,r2…,rn, R = Jari –jari silinder (mulai dari yang paling kecil) δ1 , δ2,…., δx,..., δn = Konstanta dielektrik (permitivitas)
x = Suatu titik antara silinder besar R dan silinder kecil r V = Tegangan rata - rata
Gradien tegangan untuk kedua kawat yang berjari - jari r dan berjarak d yang berisolasi pita dan dicelup dalam cairan atau udara adalah :
Ex =
2
/
10
1
/
10
434
,
0
R
d
Log
r
R
Log
Xex
V
...(3.14) Untuk d/r > 12 Dimana : Vn = 1/2 tegangan yang diterapkan (V)
X = Jarak dari pusat kawat (m) δx = Konstanta dielektrik pada x
R = Jari - jari kawat yang diisolasi (mm) r = Jari - jari kawat tanpa isolasi (mm) d = Jarak antara dua kawat (m) δ1 = Konstanta dielektrik
δ2 = Konstanta dielektrik dari media antara kedua kawat
III.6. Isolasi Kawat PVF (Polyvinil Formaldehid)
Salah satu bahan polimer isolasi yang digunakan adalah bahan isolasi yang berjenis PVF (Polivinil Formaldehid) bahan ini dapat dengan proses formalasi (formaldehid) dari polyvinil klorida dan metanal (Formaldehid) yang akan menghasilkan Polyvinil Formaldehid (PVF).
Karena isolasi ini mempunyai isolasi listrik dan daya rekat yang baik dengan logam, dipakai sebagai lapisan isolasi kabel listrik setelah dicampur dengan alkifenol (kabel yang diisolasi foemal). PVF (Polyvinl Formaldehid) memiliki sifat baik dalam tahanan terhadap panas, air, minyak, bahan kimia dan abrasi sukar terdegradasi dengan meningkatkan temperature. Sifat - sifat isolasi jenis PVF (Polyvinil Formaldehid) ini dapat dilihat pada tabel ini :
Tabel 3.3. Sifat - sifat isolasi jenis PVF
PVC Harga Toleransi Berat jenis Kekuatan tarik (Kgf/mm2) Perpanjangan (%) Kekuatan Impak (Kgf/Cm/Cm2) Tahanan Volume (Ω - Cm)
Kekuatan Putus Dielektrik (KV/mm) Konstanta dielektrik (10 Hz) Penyerapan air (24j, 3mm tebal, %)
1,2 - 1,4 6,3 - 8,4 7 - 11 2,2 - 4,2 10 - 15 12 - 14 3,0 0,8
III.7. Konduktor Tembaga
Konduktor adalah bahan dengan resistensi rendah untuk dilalui arus listrik. Pada suatu kabel berarti kawat yang secara listrik continiu atau kawat yang membentuk bagan konduksi.
Tembaga logam yang mempunyai konduktivitas listrik dan thermal yang baik, sifat mekanisnya baik, tahan terhadap karat penyambungannya dapat dilakukan dengan mudah dan efisien melalui berbagai metode, tersedia dalam berbagai bentuk dan bekas pakainya pun mempunyai nilai yang tinggi. Tembaga yang mempunyai tingkat kemurnian yang sangat baik dibandingkan dengan logam apa pun kecuali perak.
Konduktor yang terbuat dari tembaga mempunyai kemampuan khusus untuk mengalirkan arus listrik yang tinggi yang dikuatkan. Untuk menjaga kelenturannya sejumlah kawat tembaga dijalin menjadi satu, ini dilakukan untuk ukuran besar.
III.8. Tegangan Tembus (Break Down Voltage)
Terjadinya perubahan secara tiba - tiba pada suatu isolasi dari keadaan non konduksi menjadi konduksi ketika isolasi itu dihadapkan pada medan listrik yang cukup kuat perubahan ini bisa jadi mengakibatkan kerusakan inilah yang kita sebut bocoran listrik. Sementara isolasi berfungsi sebagai pelindung, Alat - alat dari isolasi ini kita sebut isolator. Peristiwa kegagalan suatu isolator melaksanakan fungsinya disebut break down dan tegangan yang menyebabkan break down ini disebut tegangan tembus atau tegangan break down.
III.9. Isolasi Kertas Dengan Merek Weidmann
Salah satu bahan isolasi kertas yang digunakan adalah bahan isolasi yang berjenis atau bermerek Weidmann. Karena isolasi ini mempunyai isolasi listrik yang fleksibel. Bahan isolasi kertas merek weidmann ini memiliki sifat baik dalam tahanan terhadap arus dan tegangan.
Isolasi kertas ini memiliki komposisi yang dimana terdiri dari selulosa, ikatan resin sintesis, pressboard isolasi kertas dengan ketebalan isolasi kertasnya adalah 9mm atau lebih, dimana kandungan kelembabannya mencapai 6%.
Aplikasi atau kegunaan isolasi kertas ini adalah sifat - sifat mekanika bahan ini menjadikannya layak atau sesuai digunakan dalam transformator sebagai plat yoke, elemen kompresi atau penahan,
penopang sambungan dan lain - lain, dalam zona yang memiliki tekanan listrik yang rendah. Isolasi kertas ini memiliki gambaran atau uraian produk antara lain adalah :
1. Sifat - sifat mekanika yang baik 2. Perilaku elastisitas yang baik
3. Dapat dipadukan dengan transformeroil
4. Mudah dikerjakan dengan mesin; dapat dipotong, dilubangi dan sebagainya.
III.10. Klasifikasi Bahan Isolasi Listrik
Menurut AIEE standart (America Institute of Electric Engenering) klasifikasi isolasi dapat dilihat pada tabel dibawah ini :
Tabel 3.4. Klasifikasi Bahan Isolasi Listrik
Y A E B F H C 90oC 105oC 120oC 130oC 155oC 180oC >180oC
III.10.1. Bahan Isolasi Kelas Y
Bahan isolasi organis (kertas, karbon, katun, sutra dan sebagainya) yang tidak dicelup dalam bahan vernis atau bahan pencelup lainnya.
III.10.2. Bahan Isolasi Kelas A
Bahan berserat dari kelas Y yang telah dicelup dalam vernis yang terendam dalam cairan dielektricum (misalnya penyekat fiber yang dipakai dalam transformator yang terendam dalam minyak). Bahan - bahan ini adalah katun, sutra dan kertas yang dicelup. Termasuk juga kawat - kawat enamel yang berlapis sebangsa dammar oleo dan dammar polymide.
